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Explosionen mit eigenartiger Zeitumkehr
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
19. Februar 2015
Ursache für die immer wieder von Satelliten registrierten
kurzen Gamma-Blitze ist, so die Theorie der Astronomen, ein Zusammenstoß von
zwei Neutronensternen und deren anschließender Kollaps zu einem Schwarzen Loch.
Nur scheint die Reihenfolge der dabei beobachteten Strahlung nicht so recht zu
diesem Ablauf zu passen. Jetzt fanden Wissenschaftler eine Erklärung für das
Phänomen.
Künstlerische Darstellung eines
Gamma-Blitzes.
Bild: ESO / A. Roquette [Großansicht] |
Zusammenstöße von Neutronensternen sind extreme Ereignisse: sie sind
vermutlich die Ursache von kurzen Gamma-Blitzen, den stärksten Explosionen, die
wir im Universum beobachten können. Diese Ausbrüche entstehen
höchstwahrscheinlich dann, wenn die Materie in einer solchen Kollision zu einem
Schwarzen Loch kollabiert.
Satelliten sehen dabei häufig nicht nur den extrem
kurzen Gamma-Blitz, sondern auch eine stunden- oder tagelange Emission von
Röntgenstrahlung, die nicht durch die sehr kurze Aktivität des Schwarzen Lochs
erklärt werden kann. Jetzt schlagen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für
Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) eine Lösung dieses Rätsels vor
und erklären auch, warum der Gamma-Blitz und ein Teil der Röntgenstrahlung in
umgekehrter Reihenfolge zu ihrer Entstehung beobachtet werden.
Kurze Gamma-Blitze setzen in weniger als zwei Sekunden so viel Energie in
Form von Gammastrahlung frei, wie man durch die Explosion von bis zu zwei
Millionen Billionen Billionen Megatonnen TNT erreichen könnte. Vermutlich
entstehen sie, wenn zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen und einen
extrem dichten, metastabilen Neutronenstern bilden, der dann durch seine eigene
Gravitation zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzt.
Dieses Schwarze Loch ist anfangs von einer dicken Scheibe aus Materie
umgeben, die binnen etwa einer Sekunde in das Schwarze Loch hineinstürzt. Wenn
dabei extrem starke Magnetfelder auftreten, entsteht ein Gamma-Blitz. Die
genauen Abläufe der extremen Explosionen sind jedoch auch nach jahrzehntelanger
Forschung rätselhaft. Sie werden am AEI mit Hilfe von Computersimulationen
untersucht, die 2013 Einblick in die Entstehung der für die Gamma-Blitze
notwendigen gigantischen Magnetfelder brachten (astronews.com berichtete).
"Numerische Simulationen auf Supercomputern können die physikalischen
Vorgänge, die zur Erzeugung eines kurzen Gamma-Blitzes führen, immer besser
nachbilden", sagt AEI-Doktorand Daniel Siege. Gemeinsam mit Dr. Riccardo Ciolfi
versucht er, das Rätsel zu lösen. "Simulationen sind ein unerlässliches Werkzeug
zur Lösung des Rätsels, da satelliten- und erdgebundene Beobachtungen nur
indirekte Auskunft über die tatsächlichen Vorgänge bei der Erzeugung eines
kurzen Gamma-Blitzes geben können." In ihrer jetzt vorgestellten Studie schlagen
Ciolfi und Siegel nun erstmals einen Mechanismus vor, der nicht nur die
Gamma-Blitze und die beobachtete Röntgenstrahlung enträtselt. Er sieht auch vor,
dass die Röntgenstrahlung nicht nur nach dem Gammastrahlenausbruch zu sehen sein
sollte, sondern auch schon davor - eine überraschende neue Vorhersage.
Simulationen auf dem AEI-eigenen Computercluster zeigen was passiert, wenn
durch die Kollision zweier Neutronensterne ein langlebiger, extrem dichter
Neutronenstern erzeugt wird. Zunächst rotiert der Stern im Innern
unterschiedlich schnell und emittiert elektromagnetische Energie in Form eines
Materiewindes. Durch die hohe Materiedichte erzeugt dieser eine für Strahlung
nahezu undurchlässige Umgebung und speichert somit den Großteil der darin
enthaltenen Energie. Nur ein kleiner Teil der Energie wird jetzt bereits in Form
von Röntgenstrahlung abgegeben.
Laut weiterer Modellrechnungen wird der Stern nach dieser Anfangsphase zu
einem starr rotierenden Körper und erzeugt in seiner Umgebung ein Plasma aus
Elektronen, Positronen und Photonen: einen Pulsar-Nebel. Der hohe Druck der
darin befindlichen Photonen bläht den umgebenden Materiewind auf und sorgt für
eine Ausdehnung mit hoher Geschwindigkeit. Rotationsenergie des Neutronensterns
wird hierbei in Energie dieses Plasmas umgewandelt und somit
zwischengespeichert.
Sobald hinreichend Rotationsenergie abgegeben wurde, kollabiert der
Neutronenstern schließlich zu einem Schwarzen Loch mit Akkretionsscheibe. In
weniger als ein paar Sekunden fällt nun die Akkretionsscheibe in das Schwarze
Loch und bewirkt einen "jetartigen", also gebündelten, Ausfluss an Materie, der
sich in dem ausgedehnten Pulsar-Nebel und dem Materiewind nahezu ungehindert
ausbreiten kann und letztlich den Gamma-Blitz erzeugt.
Demgegenüber ist ein Großteil der Energie, die dem Neutronenstern vor dem
Kollaps entzogen wurde, immer noch in dem Pulsar-Nebel und dem Materiewind
gespeichert und kann nur über mehrere Stunden oder sogar noch länger in Form von
Röntgenstrahlung abgegeben werden. Diese verzögerte Energieabstrahlung bewirkt
effektiv eine Zeitumkehrung in der Beobachtung der Gamma- und der
Röntgenstrahlung: Obwohl die Energie im Pulsar-Nebel und im Materiewind vor dem
Kollaps dem Stern entzogen wurde, wird der Großteil davon erst nach dem Kollaps
und damit nach dem Gamma-Blitz emittiert.
Die Rechnungen von Siegel und Ciolfi zeigen, dass diese Verzögerung mit den
Beobachtungsdaten vereinbar ist und so das beobachtete Nachglühen erklären kann.
Hingegen kann die Röntgenstrahlung, die vor dem Gamma-Blitz abgegeben wird,
bislang nicht beobachtet werden. Satelliten verwenden derzeit den Gamma-Blitz
zum Auslösen von Beobachtungen im Röntgenbereich. Dies erwies sich bisher als
praktikabel und sinnvoll, da man keine Röntgenstrahlung vor dem eigentlichen
Gamma-Blitz erwartete.
"Bei unserem 'Zeitumkehreffekt' findet keine magische Zeitreise statt. Es
handelt sich vielmehr um einen unmagischen Energie-Zwischenspeicher, aus dem die
Röntgenstrahlung erst mit Verzögerung abgegeben wird", so Siegel, und Ciolfi
fügt hinzu: "Eine Herausforderung für die Astronomen wird es nun sein,
Röntgenstrahlung vor einem Gamma-Blitz zu beobachten. Dies wäre ein starkes
Indiz für die 'Zeitumkehrung' und damit für das von uns vorgeschlagene
Szenario."
Die Forscher veröffentlichten ihre Resultate jetzt in der Fachzeitschrift
The Astrophysical Journal Letters.
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